IGBT模块CM1800DY-34S风电变流器组件设计

1、风电变流器功率组件原理图
风电变流器功率组件内部结构如图1.1所示，其主要功能实现单相直流-交流变换。其功率部分输入电压为1100V直流，经内置的直流侧薄膜滤波电容滤波后，供给IGBT桥臂。通过控制IGBT器件的开关动作，将直流转化为电压和频率可调的交流输出。为了抑制IGBT关断时的过压尖峰，在其直流端子上加装吸收电容。
采用2SP0325构成IGBT驱动电路，实现强弱电隔离和驱动电平转换。通过检测CE的饱和压降，驱动板可实现IGBT短路保护功能。为了降低短路时的关断过压，驱动板采用软关断技术，并在CG间增加一组串联的TVS管来抑制关断过程产生的过压尖峰。
组件中，利用IGBT内置NTC热敏电阻实现了IGBT基板温度检测，通过设计的信号处理电路将阻值变化转换为电压信号，提供给主控制系统处理。同时在水冷散热器上加装温度继电器，通过数字量输出实现超温信号报警。组件中内置电流传感器，采用霍尔电流传感器实现输出电流的检测。为了实现功率组件的信号接口与Skiip模块兼容，功率组件内部设计了一块转接电路板，转接板供电为24V，内部转换为+15V、-15V和5V为其他部件提供适当的供电。转接板与外部的信号接口包括上下管的驱动信号、驱动反馈信号、超温报警信号、温度反馈信号和电流反馈信号。 2、设计计算书
2.1 功率组件器件（IGBT 和FWD）计算
功率组件的中间直流电压为1100V，额定输出电流有效值为1000A，脉冲调试算法采用SVPWM方式实现。如变流器输出电感选取为150μH，功率组件的输出电流波形如下图所示。 Fig2.1 Waveform of output current
1、基于CM1800DY-34S器件的功率组件损耗分析
可选用的IGBT为CM1800DY-34S，其主要技术条件如下表： 功率组件安装在电网侧和电机侧工作状况差异较大，因此需分别分析其在变流器不同位置时的工作状况，由三菱公司提供以下功率组件损耗及温升的仿真结果。鉴于功率组件的电压裕量比较高，允许较高的关断过压，且出于降低损耗的考虑，驱动电阻选择为外置开通电阻Rgon为0.18Ω和关断电阻Rgoff为1Ω，加上器件内置1.1欧姆的电阻，那就要1.18/2的驱动电阻组合。
1）功率组件工作在电网侧
如功率组件工作在电网侧时，组件的输出电流频率范围为47.5Hz～51.5Hz，可不考虑结温随输出电流变化引起的波动。损耗仿真结果如下表所示。在1000A额定输出电流下，开关器件的总损耗为4967.72W，IGBT的结温为118.76℃，FWD的结温为107.72℃。
Table2.2 power loss simulation results in grid side
Grid side, fc=3kHz
Vcc=1100V, PF=0.85, Rgon=0.18ohm, Rgoff=1ohm
fc=3kHz, fo=50Hz, M=0.98, Ts=80°C. 功率组件随输出电流变化引起的损耗变化如下图所示，在1000A的额定输出条件下器件的总损耗约为5000W，在过载115%条件下器件的总损耗约为5800W，在过载125%条件下器件的总损耗约为6200W。 功率组件中IGBT和FWD的结温随输出电流变化引起的变化如下图所示，在1000A的额定输出条件下IGBT的结温约为118℃，FWD的结温约为108℃；在过载115%条件下IGBT的结温约为125℃，FWD的结温约为112℃；在过载125%条件下IGBT的结温约为130℃，FWD的结温约为115℃。 综合上面仿真结果，如功率组件工作在电网侧，可以满足3kHz开关频率下满额电流输出的设计要求。